CN112498511A - 一种仿生吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生吸盘，属于吸盘技术领域。包括吸附通道，设置在所述吸附通道顶部的推进器，和设置在所述吸附通道底端的吸附圆盘；所述吸附圆盘的底面布置有仿生吸附微结构阵列；所述推进器的旋转叶片具有正转和反转的功能。在吸附通道内设置推进器，通过推进器内旋转叶片旋转，在水下产生推动力，使吸附圆盘吸附在被吸附面上。同时通过设置在吸附圆盘底面的仿生吸附为结构阵列产生进一步的吸附力，仿生吸附借鉴青蛙、壁虎等自然生物的足底微纳结构，后续推进器无需继续做功，也可实现长时间的吸附。当旋转叶片反向旋转时，可以产生反向的力，解开吸盘。整个装置结构简单，操作方便。

Description

一种仿生吸盘

技术领域

本发明涉及吸盘技术领域，具体地说，涉及一种仿生吸盘。

背景技术

随着各行业对作业安全的重视不断提高，四旋翼无人机和水下潜航器等机器人逐渐在高空和深水等具有一定安全隐患的作业场景替代人工，而其中部分场景应用——例如，电塔的隐患区域需要长时间定域监测，抑或海上风电平台在水下接缆时需要全程监控，抑或子母式水下航行器的子机依附于母机进行长距离移动——要求机器人具有极长的续航能力，从而简化作业过程，降低成本。其中一种有效的解决方案是赋予机器人爬壁能力，这也催生了吸附技术与装置的研究与开发。

近年来，关于吸附技术的研究成果不断涌现，主要包括磁力吸附、负压吸附、推力吸附和摩擦抱撑附着。然而，所述吸附原理均存在相应的缺陷：磁力吸附的适用场景局限于铁磁材料表面，无法在桥墩和坝体等非铁磁材料结构上发挥作用；负压吸附难以摆脱抽吸设备(如真空泵)的限制，并且负压吸盘在水环境中极易发生泄漏，大大增加了机构设计与实际操作的困难程度；推力吸附要求螺旋桨等产生推力的装置持续满负荷工作，不利于长时间续航；摩擦抱撑附着对吸附面的粗糙度和形状有特殊要求，例如机械臂环抱式机器人仅能用于表面摩擦系数大且曲率大的结构。

综上所述，目前亟需一款具备无动力吸附功能、结构小巧且便于操作的吸盘，以实现高空或深水等场景的长时间不间断作业。

公布号为CN110203295A的发明专利申请文献公开了一种具有高度仿生特性吸盘，包括仿壁虎脚掌壳体、沿该仿壁虎脚掌壳体边缘并对应仿壁虎脚掌壳体凸起部设置的仿生脚趾结构、设于仿壁虎脚掌壳体下端的褶皱结构及设于该褶皱结构下端的膜；褶皱结构由若干褶皱发生单元组合而成，仿壁虎脚掌壳体、褶皱结构及膜的中心均开设有通孔，仿壁虎脚掌壳体的通孔处设有真空装置，褶皱结构及膜通过各自的通孔在真空装置的作用下实现无间隙贴合。通过将褶皱结构和膜结合，进而能够在真空装置的作用下进行无间隙贴合，贴合后形成大量纳米级的微小真空单元体，达到“小尺寸效应”所要求的临界尺寸，进而增加了与外界接触面间接触的比表面积，增强了吸附效果。然而，该吸盘为了产生真空必须搭载外部抽吸设备，造成机身重量增加或实际操作麻烦。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生吸盘，无需搭载外部抽吸设备即可完成稳定吸附。

为了实现上述目的，本发明提供的仿生吸盘包括吸附通道，设置在所述吸附通道顶部的推进器，和设置在所述吸附通道底端的吸附圆盘；所述吸附圆盘的底面布置有仿生吸附微结构阵列；所述推进器的旋转叶片具有正转和反转的功能。

上述技术方案中，在吸附通道内设置推进器，通过推进器内旋转叶片旋转，在水下产生推动力，使吸附圆盘吸附在被吸附面上。同时通过设置在吸附圆盘底面的仿生吸附为结构阵列产生进一步的吸附力，仿生吸附借鉴青蛙、壁虎等自然生物的足底微纳结构，后续推进器无需继续做功，也可实现长时间的吸附。当旋转叶片反向旋转时，可以产生反向的力，解开吸盘。整个装置结构简单，操作方便。

可选地，在一个实施例中，所述的仿生吸附微结构阵列为圆柱体微结构阵列；所述的圆柱体微结构阵列的圆柱体的高度为3～300微米，直径为1～100微米。圆柱体微结构阵列常见于以海藻为食的小型鱼类，这种结构可以增加与壁面的摩擦力，同时借助毛细作用进行吸附。

可选地，在一个实施例中，所述的仿生吸附微结构阵列为钩型柱体微结构阵列，即在所述圆柱体的顶部设置向同一侧弯曲的锥形尖端，其弯曲角度为20～60度。钩型柱体微结构阵列常见于浮游幼虫，其可借助机械互锁的原理吸附于更大的生物身上，该结构也可用于水上(如壁虎)。

可选地，在一个实施例中，所述的仿生吸附微结构阵列为棱柱体微结构阵列；所述棱柱体微结构阵列的棱柱体的高度为10～200微米，相邻棱柱体之间的间隙为1～20微米。棱柱体微结构阵列常见于喉盘鱼，由于排列紧凑，能产生较强的毛细作用，可被用于水上潮湿环境。

可选地，在一个实施例中，所述的仿生吸附微结构阵列为腔型微结构阵列，由若干圆柱腔排列而成，所述圆柱腔的高度为10～200微米，圆柱腔外径为10～200微米，腔体高度为4～80微米，腔体内径为8～160毫米。腔型微结构阵列常见于章鱼，这类结构同时借助毛细作用和负压腔作用，能够实现较大吸附力，水上水下皆可使用。

可选地，在一个实施例中，所述的吸附圆盘与所述的仿生吸附微结构阵列均由柔性材料制作。

可选地，在一个实施例中，所述的仿生吸附微结构阵列布满所述吸附圆盘的底面。

可选地，在一个实施例中，所述的吸附圆盘的底面设有沿周向间隔排列的扇形支柱，所述仿生吸附微结构阵列布满所述扇形支柱的底面。设置扇形支柱作为支撑，相邻扇形支柱之间的间隙可作为流体通道，从而制造伯努利吸附，实现更大的吸附力。

可选地，在一个实施例中，所述的推进器设有与所述吸附通道配合的涵道，推进器的螺旋桨设置在所述涵道内。

可选地，在一个实施例中，所述的涵道外具有一凸起，所述的吸附通道上设有与所述凸起配合的避让槽；所述避让槽顶部开通，并设有用于固定涵道的螺栓。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明将推进器与仿生吸附微结构阵列相结合，使得吸盘在无外部动力时仍能吸附于目标表面，这为有长时间停靠休眠或依附于更大型的机器人进行长距离移动的需求提供了便利；

本发明的仿生吸盘既能提供比真空吸附和单纯螺旋桨推力吸附更大的吸附力，又能实现无动力吸附，并且由于该吸盘控制方便，功能结合亦能大大降低机构冗杂度，自然在中低重量级的水下与空中作业场景中优于其他吸附方式；

本发明所用原材料与零件均极易获取，且制造与安装便捷，为大规模制造和工程应用提供了便利性。

附图说明

图1为本发明实施例1中仿生吸盘的结构示意图；

图2为本发明实施例1中仿生吸盘的爆炸图；

图3为本发明实施例1中仿生吸盘的半剖图；

图4为本发明实施例1中仿生吸盘的仰角轴测图与仿生吸附微结构阵列；

图5为本发明实施例1中仿生吸附微结构阵列的四种形态图；

图6为本发明实施例1中仿生吸盘在旋转叶片的旋转推力作用下靠近平整吸附面的运动与水流示意图；

图7为本发明实施例1中仿生吸盘在旋转叶片的旋转推力与吸附通道的负压等作用下吸附于平整吸附面的状态示意图；

图8为本发明实施例1中仿生吸盘在旋转叶片停转时依靠仿生吸附停靠于平整吸附面的状态示意图；

图9为本发明实施例1中仿生吸盘在旋转叶片停转时依靠仿生吸附停靠于粗糙吸附面的状态示意图；

图10为本发明实施例2中仿生吸盘的结构示意图；

图11为本发明实施例2中仿生吸盘的仰角轴测图与仿生吸附微结构阵列；

图12为本发明实施例2中仿生吸盘在旋转叶片的旋转推力作用下靠近平整吸附面的运动与水流示意图；

图13为本发明实施例2中仿生吸盘采用伯努利原理吸附在平整吸附面的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1

参见图1至图4，本实施例的仿生吸盘包括吸附通道100、设置在吸附通道100顶部的推进器200、和设置在吸附通道100底端的吸附圆盘300，吸附圆盘300的底面布置有仿生吸附微结构阵列。吸附圆盘300与仿生吸附微结构阵列均由柔性材料制作。

推进器200设有与吸附通道100配合的涵道201，推进器200的螺旋桨202设置在涵道201内。吸附通道100上设有一向外突出的避让槽101，用于避让涵道201外的凸起2011；避让槽101的顶部开通，并设有用于固定涵道201的螺栓。安装时，推进器200和吸附通道100之间可通过强力胶粘连，然后用螺栓进行强化固连。参见图3，吸附圆盘300与吸附通道100之间呈钝角设置，从而可以更好地适应曲面。

参见图4，仿生吸附微结构阵列布满吸附圆盘300的底面，参见5，仿生吸附微结构阵列可以是以下四种形态：

(1)圆柱体微结构阵列301，圆柱体微结构阵列的圆柱体的高度约为50微米，直径约为10微米。圆柱体微结构阵列常见于以海藻为食的小型鱼类，这种结构可以增加与壁面的摩擦力，同时借助毛细作用进行吸附。

(2)钩型柱体微结构阵列302，即在圆柱体的顶部设置向同一侧弯曲的锥形尖端。钩型柱体微结构阵列常见于浮游幼虫，其可借助机械互锁的原理吸附于更大的生物身上，该结构也可用于水上(如壁虎)。

(3)棱柱体微结构阵列303，棱柱体微结构阵列常见于喉盘鱼，由于排列紧凑，能产生较强的毛细作用，可被用于水上潮湿环境。

(4)腔型微结构阵列304，由若干圆环排列而成。腔型微结构阵列常见于章鱼，这类结构同时借助毛细作用和负压腔作用，能够实现较大吸附力，水上水下皆可使用。

参见图6和图7，规定推进器200的螺旋桨202按图示方向旋转时为从吸盘底部抽吸状态。参见图6，仿生吸盘在推进器200的螺旋桨202的作用下向平整吸附面001移动，此时水流穿过吸附通道100和推进器200的涵道201，并按图中箭头方向流动。参见图7，仿生吸盘在推力与负压的双重作用下吸附于平整吸附面001。由于吸附紧密，吸附圆盘300的发生形变，完全贴合于平整吸附面001。此时，吸附通道100内的流体少且紊乱，而外部流体将按提示箭头方向流动。参见图8，当螺旋桨202停转后，仿生吸盘仍可以在仿生吸附微结构阵列的作用下(水上为范德华力与毛细作用力，钩型微结构可适应任何场景)吸附于平整吸附面001，做到无动力吸附。参见图9，仿生吸盘在粗糙吸附面002或带有一定曲率的吸附面上亦可发挥作用，因为吸附圆盘300是柔性体，可以较好地贴合于粗糙异型曲面。当仿生吸盘需要解吸附时，只需将推进器200反转，吸盘便能轻易脱落。实验结果表明，加装吸附圆盘300不会对推进器200的推进功能造成明显影响。

本实施例中，推进器200可通过直接购买商用产品的方式获取，既可为无人机用高速推进器，也可为水下潜航器用水下推进器。要求所购买的推进器具有覆盖螺旋桨的涵道，且涵道外表面平整、有紧固区域，从而方便装配。

吸附通道100和吸附圆盘300可采用很多方法制造，如光刻法、电化法和精密三维打印法，但为了大规模制备，本实施例采用模具制造法：采用飞秒激光技术加工出大量带有仿生吸附微结构阵列反模的吸附作用板金属模具，然后采用商业液态硅胶等柔性材料原料进行批量制造。

实施例2

本实施例的仿生吸盘除了吸附圆盘300的结构外，其余结构均与实施例1相同，此处不再赘述。参见图10和图11，本实施例的吸附圆盘300的底面设有沿周向间隔排列的扇形支柱305，仿生吸附微结构阵列布满扇形支柱305的底面。扇形支柱305与吸附圆盘300可以一体成型制造。设置扇形支柱305作为支撑，相邻扇形支柱305之间的间隙可作为流体通道，从而制造伯努利吸附，实现更大的吸附力。

参见图12，仿生吸盘在推进器200的螺旋桨202的作用下向平整吸附面001移动，此时水流穿过吸附通道100和涵道201，并按图中箭头方向流动。根据伯努利原理可知，当仿生吸盘接近平整吸附面001时，高速流体会在工作表面上产生一定压降，即会在吸附圆盘300和平整吸附面001之间形成负压区域，压降与螺旋桨202的转速有直接关系，螺旋桨202转速越大，流体流速越快，产生的压差就越大从而迫使吸盘被环境流体压在平整吸附面001上。

参见图13，仿生吸盘在推力与吸附力的双重作用下吸附于平整吸附面001。由于吸附紧密，吸附圆盘300发生形变，完全贴合于平整吸附面001。此时，流体通过吸附圆盘300底面的扇形支柱305间的缝隙流道流入吸附通道100，并按图中箭头方向流动。

当然，即便螺旋桨停转，该仿生吸盘亦能实现无动力停靠。其优点在于伯努利效应下的吸附力比前述吸盘更大。

Claims (10)

1.一种仿生吸盘，其特征在于，包括吸附通道，设置在所述吸附通道顶部的推进器，和设置在所述吸附通道底端的吸附圆盘；所述吸附圆盘的底面布置有仿生吸附微结构阵列；所述推进器的旋转叶片具有正转和反转的功能。

2.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的仿生吸附微结构阵列为圆柱体微结构阵列；所述的圆柱体微结构阵列的圆柱体的高度为3～300微米，直径为1～100微米。

3.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的仿生吸附微结构阵列为钩型柱体微结构阵列，即在圆柱体的顶部设置向同一侧弯曲的锥形尖端，弯曲角度为20～60度。

4.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的仿生吸附微结构阵列为棱柱体微结构阵列；所述棱柱体微结构阵列的棱柱体的高度为10～200微米，相邻棱柱体之间的间隙为1～20微米。

5.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的仿生吸附微结构阵列为腔型微结构阵列，由若干圆柱腔排列而成，所述圆柱腔的高度为10～200微米，圆柱腔外径为10～200微米，腔体高度为4～80微米，腔体内径为8～160毫米。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的吸附圆盘与所述的仿生吸附微结构阵列均由柔性材料制作。

7.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的仿生吸附微结构阵列布满所述吸附圆盘的底面。

8.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的吸附圆盘的底面设有沿周向间隔排列的扇形支柱，所述仿生吸附微结构阵列布满所述扇形支柱的底面。

9.根据权利要求1所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的推进器设有与所述吸附通道配合的涵道，推进器的螺旋桨设置在所述涵道内。

10.根据权利要求9所述的仿生吸盘，其特征在于，所述的涵道外具有一凸起，所述的吸附通道上设有与所述凸起配合的避让槽；所述避让槽顶部开通，并设有用于固定涵道的螺栓。

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